CPU虚拟化相关基础知识详解

CPU虚拟化概述

CPU或处理器可以为VM提供虚拟处理器的抽象，并执行特定VM的相应指令。通常来说，Hypervisor管理程序直接在物理CPU上执行，占用物理资源并直接使用物理CPU的ISA。而虚拟机操作系统基于虚拟处理器的抽象占用相关资源并执行相关指令，除了需要更高权限的动作外，大部分场景也可以直接使用物理CPU资源和物理CPU的ISA。
Hypervisor和VM的协同管理是通过虚拟机下陷机制实现的，通常这种下陷是VM或应用需要更高的权限才能执行的时候会产生。在ARM架构中，上面介绍的对虚拟化的异常处理等级，VM和应用程序最多可以拥有EL1权限，因此对于不允许执行的指令，将触发虚拟机陷阱。详细流程如下：

• 通常情况下，VM在物理CPU上运行其指令，与没有Hypervisor的情况下一样；
• 当虚拟机操作系统或应用程序试图执行一条超出执行权限的指令时，触发虚拟机下陷，虚拟机操作系统做上下文切换，切到Hypervisor程序；

• 发生虚拟机陷阱后，Hypervisor接管现场，并保存虚拟机的上下文，之后处理虚拟机操作系统开启的任务；

• 当Hypervisor完成任务后，恢复VM的上下文并将执行权限交还给VM。

虚拟机抽象和下陷处理机制将在后续QNX Hypervisor和ARM体系结构中进一步介绍。

QNX虚拟机和虚拟处理器支持

QNX Hypervisor软件架构中资源和组件的详细层次结构如下图所示，从Hypervisor作为操作系统视角来看，各个VM需要通过例化qvm进程来在Hypervisor操作系统用户态空间中注册。在配置某个VM时，会根据规范创建一个对应的qvm进程并进行配置，用以指定该VM的组件，包括虚拟虚拟处理器vCPU、虚拟设备、内存管理页表配置等。

在Hypervisor正常运行期间，qvm 进程实例需要执行以下操作：

• 捕获从虚拟机出入的访问尝试，并根据类型进行相应的处理；
• 在切换物理CPU之前保存VM的上下文；
• 在物理CPU重新执行某个VM之前恢复该VM的上下文；
• 负责虚拟化相关故障处理；
• 执行确保虚拟机完整性所需的维护程序。

在一个qvm进程被例化的同时，会在进程内实例化多个vCPU线程、虚拟设备列表和Stage2页表，分别用于应用线程抽象、虚拟设备抽象和内存虚拟化抽象。对于vCPU抽象，QNX Hypervisor遵循基于优先级的vCPU共享模型，其中优先级包括qvm进程优先级和vCPU线程优先级。在Hypervisor运行规则中，qvm进程的相对优先级和qvm 进程内的 vCPU调度线程的优先级层次化地决定哪个vCPU可以访问物理CPU。但是映射过程和后续执行过程中，VM中运行的内容和数据对于Hypervisor来说是完全的黑盒。Hypervisor仅确保在基于 vCPU的优先级和调度策略共享物理CPU时，较高优先级的vCPU将始终抢占较低优先级的vCPU。除此之外的虚拟设备列表和Stage2页表将在后续章节介绍。

ARM 虚拟机和虚拟处理器支持

ARM架构中的下陷机制是通过异常处理来实现的。如上文所述，通常虚拟机操作系统的应用程序或用户空间处于EL0安全等级。虚拟机操作系统的内核态空间处于EL1安全等级。Hypervisor处于EL2安全等级。如下如左边所示，当超出EL1安全等级的VM或者应用程序指令执行时，将向 EL2级别的Hypervisor发出异常下陷，交由Hypervisor来处理异常，然后通过上下文切换返回到EL1安全等级的VM。

下图右边示例了一个CPU捕获WFI的处理过程。执行等待中断WFI指令通常会使物理CPU进入低功耗状态。通过注入断言TWI信号，如果满足HCR_EL2.TWI==1，则在EL0或EL1安全等级上执行WFI将导致异常并下陷到EL2安全等级上处理。在此示例中，VM通常会在空闲循环中执行WFI，而Hypervisor可以捕获此类下陷动作，并调度不同的vCPU到这个物理CPU，而不是直接进入低功耗状态。

在ARM体系结构中，vCPU一般代表虚拟的处理单元，每个vCPU在Hypervisor中需要例化对应的vCPU线程。VM对应的是Hypervisor中例化的qvm进程，会包含一个或者多个vCPU线程。